合金钢热障涂层等离子喷涂及高温力学特性研究
发布时间：2019-09-17 16:25
【摘要】：目的研究等离子喷涂热障涂层微观组织与高温力学性能,为热障涂层在合金钢的应用及其失效机制提供理论支撑。方法采用等离子喷涂技术在30Cr Mn Si A钢基体上制备Ni Co Cr Al Y/YSZ热障涂层,利用扫描电镜显微观察、物相分析、热震试验、拉伸试验等技术方法,考察涂层在高温条件下的失效行为。结果合金钢等离子喷涂热障涂层为典型双层层片状结构,YSZ涂层仅含有稳定四方相。800℃时,涂层试样拉伸试验后的断裂载荷与无涂层试样相比高10%。热障涂层的抗热震性良好,经900℃热震循环试验10次后,涂层完好;经1000℃热震循环6次后,涂层剥落失效,剥落面位于粘结层与基体之间。热震循环过程中,钢基体被氧化甚至腐蚀。涂层试样边缘产生应力集中,随着热震次数的增加,裂纹逐渐扩展,最终导致涂层成块剥落。温度由700℃升至900℃,Ni Co Cr Al Y涂层硬度下降幅度大于YSZ涂层和30Cr Mn Si基体。结论粘结层与钢合金基体的热膨胀不匹配是导致热震试验涂层剥落的主要原因。热障涂层的隔热作用使涂层试样的基体温度较低,导致其断裂载荷与无涂层试样相比较高。
【图文】：
ū本┛笠毖芯孔?院的KF230），YSZ粉末形貌见图1，颗粒为球状，粒度约为40～100μm。金属粘结层与陶瓷隔热层均采用SulzerMetco9MC型等离子喷涂系统制备，其中粘结层厚度约为100μm，陶瓷层厚度约为300μm。涂层热震试样尺寸为40mm×40mm×5mm，涂层高温拉伸试样为标准试样。表130CrMnSiA主要化学成分Tab.1Chemicalcompositionof30CrMnSiAsteelwt.%CSiMnCrNi0.28～0.340.90～1.200.80～1.100.80～1.10≤0.40表2NiCoCrAlY粉末化学成分Tab.2ChemicalcompositionofNiCoCrAlYpowderwt.%NiCoCrAlY余量232560.5图1YSZ粉末表面形貌Fig.1SurfacemorphologyofYSZpowder1.2方法1.2.1试样制备喷涂前，基体采用200~500μm的白刚玉砂进行喷砂处理，喷砂压力为0.4～0.6MPa，喷砂角度为60°～90°。采用SulzerMetco公司9MC高能等离子喷涂系统进行涂层制备，优化后的等离子喷涂工艺参数见表3。
扰缤?热障涂层质量检验》，将涂层试样在设定温度下保温10min后，迅速放入常温环境下的水中急冷，在水中放置1min后，将试样表面擦拭干净，继续在设定温度保温10min。如此反复进行，直至涂层开裂或剥落面积大于5%，判定为涂层失效。1.2.5高温硬度测试涂层高温硬度采用HRN/T150高温洛氏硬度试验系统进行测试，主试验力为45kg，参照GB/T230—2009《金属材料洛式硬度试验》，分别在700、800、900℃测试涂层和基体的高温洛氏硬度，以评价高温环境对涂层和基体力学性能的影响。2结果与讨论2.1涂层微观形貌及物相分析图2和图3是采用优化后的等离子喷涂工艺参数制备的涂层表面与截面形貌。粘结层厚度约为100μm，陶瓷层厚度约为300μm。基体与粘结层界面、粘结层与陶瓷层界面的界线明显。等离子喷涂过程中，熔融或半熔融的粉末粒子高速撞击基体或者先沉积的涂层后发生剧烈变形，导致粒子流动扁平化并急速冷却凝固成“薄饼状”，形成典型的“层片状结构”[9]，，见图4。粒子高速飞行，不可避免地受环境气氛的影响，导致涂层中含孔隙、氧化粒子和其他杂质，熔融图2不同放大倍数的热障涂层表面形貌Fig.2ExternalmorphologiesofTBCsondifferentmagnification图3不同放大倍数的热障涂层截面形貌Fig.3Cross-sectionmorphologiesofTBCsondifferentmag-nification
【作者单位】： 西南技术工程研究所;中航工业北京航空制造工程研究所;
【基金】：国防基础科研项目(A1020132032,A0520132002) 国防技术基础项目(JSCG2016209B005)~~
【分类号】：TG174.442
【图文】：
ū本┛笠毖芯孔?院的KF230），YSZ粉末形貌见图1，颗粒为球状，粒度约为40～100μm。金属粘结层与陶瓷隔热层均采用SulzerMetco9MC型等离子喷涂系统制备，其中粘结层厚度约为100μm，陶瓷层厚度约为300μm。涂层热震试样尺寸为40mm×40mm×5mm，涂层高温拉伸试样为标准试样。表130CrMnSiA主要化学成分Tab.1Chemicalcompositionof30CrMnSiAsteelwt.%CSiMnCrNi0.28～0.340.90～1.200.80～1.100.80～1.10≤0.40表2NiCoCrAlY粉末化学成分Tab.2ChemicalcompositionofNiCoCrAlYpowderwt.%NiCoCrAlY余量232560.5图1YSZ粉末表面形貌Fig.1SurfacemorphologyofYSZpowder1.2方法1.2.1试样制备喷涂前，基体采用200~500μm的白刚玉砂进行喷砂处理，喷砂压力为0.4～0.6MPa，喷砂角度为60°～90°。采用SulzerMetco公司9MC高能等离子喷涂系统进行涂层制备，优化后的等离子喷涂工艺参数见表3。
扰缤?热障涂层质量检验》，将涂层试样在设定温度下保温10min后，迅速放入常温环境下的水中急冷，在水中放置1min后，将试样表面擦拭干净，继续在设定温度保温10min。如此反复进行，直至涂层开裂或剥落面积大于5%，判定为涂层失效。1.2.5高温硬度测试涂层高温硬度采用HRN/T150高温洛氏硬度试验系统进行测试，主试验力为45kg，参照GB/T230—2009《金属材料洛式硬度试验》，分别在700、800、900℃测试涂层和基体的高温洛氏硬度，以评价高温环境对涂层和基体力学性能的影响。2结果与讨论2.1涂层微观形貌及物相分析图2和图3是采用优化后的等离子喷涂工艺参数制备的涂层表面与截面形貌。粘结层厚度约为100μm，陶瓷层厚度约为300μm。基体与粘结层界面、粘结层与陶瓷层界面的界线明显。等离子喷涂过程中，熔融或半熔融的粉末粒子高速撞击基体或者先沉积的涂层后发生剧烈变形，导致粒子流动扁平化并急速冷却凝固成“薄饼状”，形成典型的“层片状结构”[9]，，见图4。粒子高速飞行，不可避免地受环境气氛的影响，导致涂层中含孔隙、氧化粒子和其他杂质，熔融图2不同放大倍数的热障涂层表面形貌Fig.2ExternalmorphologiesofTBCsondifferentmagnification图3不同放大倍数的热障涂层截面形貌Fig.3Cross-sectionmorphologiesofTBCsondifferentmag-nification
【作者单位】： 西南技术工程研究所;中航工业北京航空制造工程研究所;
【基金】：国防基础科研项目(A1020132032,A0520132002) 国防技术基础项目(JSCG2016209B005)~~
【分类号】：TG174.442
【参考文献】
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1 牟仁德;王占考;陆峰;舒焕p
本文编号：2536980
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